Absolute densities of reactive species in a cold atmospheric pressure plasma jet: Spatial distributions in the effluent determined by optical diagnostic methods

In dieser Arbeit wurden die räumlichen Dichteverteilungen reaktiver stabiler und transienter Spezies, die am Reaktionszyklus von H2O2, einer Schlüsselspezies für biomedizinische Anwendungen, beteiligt sind, direkt im Effluenten eines kINPen-sci-Plasmajets bestimmt. Der kleine Durchmesser von kalten Atmosphärendruckplasmajets und ihr Betrieb bei Atmosphärendruck, der starke Quenchingreaktionen verursacht, erschweren die Diagnostik. In dieser Arbeit wurden verschiedene Diagnostiken eingesetzt und für den Einsatz im Effluenten eines kalten Atmosphärendruckplasmajets angepasst: Atomare Laserabsorptionsspektroskopie (LAAS) bei 811,5 nm zum Nachweis von Ar(3P2), pikosekundengepulste zweiphotonenlaserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (ps-TALIF) bei 225 nm und 205 nm zum Nachweis von O- und H-Atomen, und kontinuierliche Cavity- Ring-Down-Spektroskopie (cw-CRDS) bei 1,506 µm zum Nachweis von HO2 und cw- CRDS bei 8,000 µm zum Nachweis von H2O2. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Ermittlung von räumlichen absoluten Dichteverteilungen innerhalb des kleinen Durchmessers des Effluenten des kINPen-sci Plasmajets, die bisher noch nicht untersucht wurden. Auf der Grundlage der ermittelten Verteilungen für H-Atome, O-Atome, HO2-Radikale und H2O2-Moleküle und des untersuchten Einflusses der Feuchtigkeit im Trägergas auf die Anregungsdynamik und die Produktion von Ar(3P2), sowie mittels eines Vergleichs der experimentellen Ergebnisse mit einem plasmachemischen und reaktiven Strömungsmodell wurden drei verschiedene Zonen mit unterschiedlicher Reaktionskinetik identifiziert. Die Dichten in der Nähe der Düse des kINPen-sci-Plasmajets wurden von Reaktionen innerhalb der Plasmazone dominiert, einschließlich der Dissoziation von H2O, das dem Ar-Trägergas zugesetzt wurde, und O2, das vermutlich durch gegenläufige Ionisationswellen in die Plasmazone übertragen wurde. Bemerkenswert ist, dass auch die größeren Moleküle, wie HO2 und H2O2, hauptsächlich in der Plasmazone des Plasmajets gebildet wurden. Zwischen 1,5 mm und 5 mm unterhalb der Düse wurden atomare Spezies und molekulare Radikale durch die umgebende Gaszusammensetzung verbraucht. In weiteren Entfernungen von der Düse, in der sich typischerweise biologische Proben befinden, wurden hauptsächlich H2O2 und HO2 Moleküle beobachtet. Mit dieser Arbeit wird erfolgreich demonstriert, dass selbst für die kleinen Durchmesser von kalten Atmosphärendruckplasmajets die Bestimmung von räumlichen Dichteverteilungen für reaktive transiente und stabile Spezies innerhalb des Effluenten möglich ist. Durch die Zusammenführung der experimentellen Ergebnisse konnten wichtige Erkenntnisse über die Bildung und den Verbrauch von H2O2 und seinen Edukten gewonnen werden, die für das Verständnis von Plasmen in biomedizinische Anwendungen wesentlich sind.In this work, spatial distributions for reactive stable and transient species that are involved in the reaction cycle of H2O2, a key species for biomedical applications, were determined directly in the effluent of a kINPen-sci plasma jet. The small diameter of cold atmospheric pressure plasma jets and their operation at atmospheric pressure that causes strong quenching reactions make diagnostics challenging. Here, various diagnostic techniques have been employed and adapted for the use in the effluent of a cold atmospheric pressure plasma jet, which were laser atomic absorption spectroscopy (LAAS) at 811.5 nm for the detection of Ar(3P2), picosecond two-photon absorption laser-induced fluorescence spectroscopy (ps-TALIF) at 225 nm and 205 nm for the detection of O and H atoms, respectively, and continuous wave cavity ring-down spectroscopy (cw-CRDS) at 1.506 µm for the detection of HO2, and cw-CRDS at 8000 µm for the detection of H2O2. All these methods provide absolute number densities. In this work, spatial distributions within the small diameter of the effluent of a CAPJ were obtained, which have not been reported so far literature. In order to overcome the line-of-sight limitations of CRDS, radial scans were performed and transformed into a spatial distribution by using Abel inversion. Based on the determined spatial density distributions for H atoms, O atoms, HO2 radicals, and H2O2 molecules, together with the investigated impact of humidity in the feed gas on the excitation dynamics and the production of Ar(3P2), and finally on a comparison of the experimental results to a plasma chemical and reacting flow model, three different zones with varying reaction kinetics were identified. The densities close to the nozzle of the kINPen-sci plasma jet were dominated by reactions within the plasma zone including the dissociation of H2O added to the Ar feed gas and O2 that was presumably transferred into the plasma zone by counter-propagating ionisation waves. Notably, also the larger molecules, such as HO2 and H2O2 were mainly formed within the plasma zone of the plasma jet. Between 1.5 mm and 5 mm below the nozzle, the atomic species and molecular radicals generated in the plasma zone were consumed by chemical reactions with the surrounding gas, whose composition was controlled by applying a gas curtain. At further distances from the nozzle, where typically biological samples are positioned, only H2O2 and HO2 were observed. With this work, it is successfully demonstrated that even for the small diameters of cold atmospheric pressure plasma jets the determination of spatial profiles for reactive transient and stable species is possible within the effluent. By combining the experimental results, important insights into the formation and consumption of H2O2 and its precursors were gained, which are essential for the understanding of use of plasmas in biomedical applications